遇水膨脹橡膠在高水頭大波浪底軸驅(qū)動(dòng)翻板閘門中的應(yīng)用

余建華 周毓 汪勇 浙江江能建設(shè)有限公司

1.前言

在水利水電建設(shè)中，隨著城市用水、景觀建設(shè)及環(huán)境整治和灌溉、航運(yùn)通道的需要，底軸驅(qū)動(dòng)翻板閘門得到廣泛的運(yùn)用。寧波北侖梅山水道抗超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)漁業(yè)避風(fēng)錨地工程，位于寧波市北侖港區(qū)，工程按100年一遇的擋潮設(shè)計(jì)海堤兩條、500噸級(jí)海船閘兩座（南堤）以及北、南堤水閘兩座。工程位于開(kāi)敞式海域，風(fēng)高浪大，環(huán)境惡劣，特別是南堤閘尤甚。船閘設(shè)計(jì)滿足雙向擋水要求，運(yùn)行時(shí)最大風(fēng)力8級(jí)，擋水狀態(tài)最大風(fēng)力10級(jí)。工程處入?？?，存在較嚴(yán)重淤積，海洋風(fēng)暴潮的破壞力又不可量化，同時(shí)存在工程軟土地基等多種因素的組合影響，為此，給金屬結(jié)構(gòu)閘門設(shè)備設(shè)計(jì)、制作及安裝等帶來(lái)諸多挑戰(zhàn)，充分考慮各種不利外界因素的影響，提高設(shè)備運(yùn)行安全可靠性勢(shì)在必行。

本工程設(shè)雙線船閘，其中一線船閘基本滿足避風(fēng)錨地船只通行需要，另外一線船閘可以作為避風(fēng)錨地應(yīng)急船閘，同時(shí)有效地提高臺(tái)風(fēng)期間避風(fēng)漁船的通行效率和應(yīng)急救助能力，特別是高潮差情況下的漁船通過(guò)能力大大增強(qiáng)，提高了本錨地漁業(yè)避風(fēng)的應(yīng)急救助能力及安全儲(chǔ)備，同時(shí)雙線船閘在船閘檢修時(shí)可互為備用，通航不受影響，更好的發(fā)揮本避風(fēng)錨地的應(yīng)急能力。

2.船閘閘門方案設(shè)計(jì)比選

船閘工作閘門常規(guī)設(shè)計(jì)采用人字閘門，人字閘門操作條件為靜水啟閉，對(duì)水流條件較好的內(nèi)河航道較適應(yīng)。本船閘工程由于地處入海口，水位變化較為復(fù)雜，南堤波浪性質(zhì)主風(fēng)向?yàn)榛旌侠?，同時(shí)避風(fēng)錨地漁船大多在臺(tái)風(fēng)來(lái)臨時(shí)進(jìn)港避風(fēng)，人字閘門對(duì)水位的適應(yīng)性較差且不能滿足雙向擋水和動(dòng)水啟閉的要求。船閘工作閘門選擇平面閘門或升臥式平面閘門，為滿足通航凈空要求，則必須設(shè)計(jì)較高的啟閉機(jī)排架。梅山水道作為濱海新城的核心區(qū)，建筑物的總體布置設(shè)計(jì)必須考慮對(duì)周邊整體環(huán)境影響，船閘選用底軸驅(qū)動(dòng)翻板閘門作為船閘上、下游工作閘門，閘上不設(shè)置上部建筑物，對(duì)通航凈空不存在影響。同時(shí)閘門設(shè)計(jì)可滿足雙向止水要求；閘門啟閉選用液壓?jiǎn)㈤]機(jī)操作，設(shè)備容量可以相對(duì)較大，同時(shí)，液壓?jiǎn)㈤]機(jī)操作更易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制。底軸驅(qū)動(dòng)翻板閘門啟閉機(jī)通過(guò)拐臂驅(qū)動(dòng)翻板閘門。開(kāi)啟時(shí)，門葉由底軸旋轉(zhuǎn)下臥至平躺狀，由于翻板閘門在開(kāi)啟時(shí)，擋水門幾近“消失”，同時(shí)翻板閘門底軸采用多支點(diǎn)支承的型式，可適應(yīng)不同孔口跨度，孔口跨度又可以做得相當(dāng)大，而建筑物的上部結(jié)構(gòu)則較常規(guī)可大為簡(jiǎn)化，更好地滿足了城市景觀設(shè)計(jì)的需要。

底軸驅(qū)動(dòng)翻板閘門啟閉機(jī)室一般布置在底軸兩側(cè)的空箱內(nèi)，啟閉機(jī)室內(nèi)布置著啟閉、控制及沖淤系統(tǒng)。啟閉機(jī)室側(cè)墻的防滲、穿墻套管的止水效果、通風(fēng)、防雨等直接影響工程的運(yùn)行管理，特別是穿墻套管轉(zhuǎn)軸位置的止水效果直接影響閘門的安全和檢修年限，一旦穿墻套管與軸之間的止水損壞嚴(yán)重，可能會(huì)導(dǎo)致啟閉機(jī)室被淹的風(fēng)險(xiǎn)或需更換檢修。此類閘門的檢修成本很高，難度很大，特別是更換穿墻套管止水橡皮更加困難，因此提高穿墻套管的止水的可靠性尤為顯得重要，為此寧波北侖北梅山水道工程四座底軸驅(qū)動(dòng)翻板閘門穿墻套管止水設(shè)計(jì)首次采用了遇水膨脹橡膠。

3.穿墻套管及結(jié)構(gòu)分析

梅山水道工程南堤船閘工作閘門均選用了底軸驅(qū)動(dòng)翻板閘門，共4座，底軸式翻板閘門采用主縱梁式結(jié)構(gòu)，底部設(shè)有啟閉驅(qū)動(dòng)底軸，底軸直徑2米，孔口凈寬12米，底檻高程-4.7米，門頂高程5.6米，底軸通過(guò)穿墻套管進(jìn)入兩側(cè)機(jī)室，拐臂設(shè)在底軸兩端，門葉與底軸采用螺栓連接，啟閉機(jī)通過(guò)拐臂驅(qū)動(dòng)翻板閘門。

底軸段間采用過(guò)盈配合的抗剪套連接，底軸共設(shè)若干支點(diǎn)，用以承受徑向荷載，支承軸承采用耐磨自潤(rùn)滑球面軸承。翻板閘門可以靈活運(yùn)行，允許門頂溢流，閘門全關(guān)時(shí)，門葉與水平方向成75°，閘門全開(kāi)時(shí)，門葉與水平方向成0°。由于該工程底軸驅(qū)動(dòng)翻板閘門用于通航，開(kāi)啟頻率相對(duì)較高，閘門底軸直徑大，止水檢修難度大，因此對(duì)閘門運(yùn)行的可靠、穩(wěn)定性設(shè)計(jì)要求高，下面介紹該穿墻止水結(jié)構(gòu)案例（圖1，圖2）。

穿墻套管由支座、端蓋、壓蓋、水封、密封條、遇水膨脹橡皮、密封圈和緊固件組成。安裝時(shí)先裝序號(hào)9 密封圈為第一層密封，然后安裝序號(hào)7擋圈，再安裝序號(hào)6 和8遇水膨脹橡皮和密封條，接下來(lái)裝序號(hào)4壓蓋，通過(guò)緊固件把擋圈與壓蓋連接起來(lái)將密封條和遇水膨脹橡皮壓緊即第二層密封（主密封層），最后裝序號(hào)3和5水封和端蓋即第三層密封。該穿墻套管共設(shè)置了兩道止水，即機(jī)房（機(jī)室）側(cè)和船閘側(cè)，在運(yùn)行過(guò)中大大減小穿墻止水位置的滲水的概率，其次當(dāng)即使發(fā)現(xiàn)穿墻止水位置滲水時(shí)，也可以僅拆出機(jī)房側(cè)止水密封件進(jìn)行更換，而不動(dòng)船閘側(cè)的止水密封件。

圖1

4.遇水膨脹橡膠的作用

遇水膨脹止水橡膠是一種獨(dú)特的橡膠新產(chǎn)品，是有遇水膨脹性能的膩?zhàn)有椭瓜鹉z和制品型止水橡膠的統(tǒng)稱。該種橡膠在遇水后產(chǎn)生2-3倍的膨脹變形，并充滿接縫處所有不規(guī)則表面、空穴及間隙，同時(shí)產(chǎn)生巨大的接觸壓力，徹底防止?jié)B漏。當(dāng)接縫發(fā)生位移，造成間隙超出材料的彈性范圍時(shí)，普通型橡膠止水材料則失去止水作用，而該材料還可以通過(guò)吸水膨脹來(lái)止水。使用遇水膨脹橡膠作為堵漏密封止水材料，不僅用量節(jié)省，而且還可以消除一般彈性材料因過(guò)大壓縮而引起彈性疲勞的特點(diǎn)，使防水效果更為可靠，本案例中主要應(yīng)用遇水膨脹橡膠的遇水膨脹產(chǎn)生巨大的接觸壓力使序號(hào)8密封條擠壓變形與底軸接觸更加嚴(yán)密，達(dá)到止水效果，同時(shí)當(dāng)遇水膨脹橡皮膨脹變形后也能充滿底軸與支座間的間隙也能起到止水的效果。

5.運(yùn)行實(shí)踐

梅山水道底軸驅(qū)動(dòng)式翻板閘門采用的新型穿墻套管式水封系統(tǒng)，在原理上不同于一般閘門的水封系統(tǒng)。設(shè)計(jì)要求底軸在靜態(tài)和動(dòng)態(tài)旋轉(zhuǎn)時(shí)都要達(dá)到止水效果，因此這種水封系統(tǒng)從結(jié)構(gòu)上要復(fù)雜的多，制作和安裝難度也要大得多。

該穿墻套管式水封系統(tǒng)起止水作用的是在擋圈和壓蓋內(nèi)斷面直徑Φ50mm的環(huán)繞底軸的O型密封條和同O型密封條緊密貼合的遇水膨脹橡膠條。遇水膨脹橡膠條在水中膨脹，膨脹率不小于200%，膨脹后產(chǎn)生頂緊壓力頂緊O型密封條，兩者聯(lián)合作用達(dá)到止水效果，這是穿墻套管式水封系統(tǒng)能達(dá)到止水效果的關(guān)鍵。

經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中多次檢查、實(shí)驗(yàn)和調(diào)整，發(fā)現(xiàn)遇水膨脹橡膠條在使用中有以下問(wèn)題，都會(huì)使O型密封條達(dá)不到規(guī)定的預(yù)定壓縮量，造成滲漏水的現(xiàn)象發(fā)生，特別是底軸旋轉(zhuǎn)動(dòng)態(tài)情況下更容易發(fā)生。

①遇水膨脹橡膠條與穿墻套管內(nèi)的擋圈之間存在10mm左右間隙，閘門在運(yùn)行過(guò)程遇水膨脹橡膠條未能膨脹（膨脹率不小于200%）達(dá)到理想0—0止水效果。

②遇水膨脹橡膠條在運(yùn)行過(guò)程膨脹適應(yīng)性較弱，有部分遇水膨脹橡膠條膨脹后，會(huì)同底軸或擋圈表面局部發(fā)生粘連，底軸旋轉(zhuǎn)時(shí)發(fā)生局部拉斷，止水未達(dá)到要求。

③穿墻套管內(nèi)支撐O型密封條的擋圈同穿墻套管的支座之間，沒(méi)有采用定位固定。為此，擋圈與壓蓋間緊密度不夠，使遇水膨脹橡膠條、O型密封條的預(yù)壓縮量達(dá)不到理想效果而漏水，并有可能通過(guò)該間隙從壓蓋上的螺栓孔漏出。

④O型密封條環(huán)在環(huán)繞底軸周長(zhǎng)范圍內(nèi)，實(shí)際存在與擋圈、底軸之間存在一定的間隙，同時(shí)O型密封條預(yù)壓縮量未達(dá)不到要求。

通過(guò)以上原因分析說(shuō)明，底軸在轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)穿墻套管水封系統(tǒng)易發(fā)生漏水的原因是遇水膨脹橡膠條的缺陷、O型密封條預(yù)壓不足、底軸零部件緊密度不夠等，止水效果由以上因素綜合作用下產(chǎn)生的。

為此在運(yùn)行實(shí)踐過(guò)程中，解決的方案主要考慮如下兩種。

①在穿墻套管水封系統(tǒng)中，先對(duì)O型密封條擋圈定位，拆除壓蓋等零部件用焊接方法將擋圈固定到支座上，并使擋圈上平面和支座的配合的平面在壓蓋壓緊后不存在間隙，以防止該組合面滲漏水發(fā)生，

圖2

②采用石棉填料代替存在著諸多不利因素的遇水膨脹橡膠條進(jìn)行試驗(yàn)。

采用斷面尺寸40mm×40mm（寬×高）的石棉填料進(jìn)行試驗(yàn)，石棉填料材質(zhì)型號(hào)為油浸石棉填料，型號(hào)YS350，適用范圍4.5Mpa。

從試驗(yàn)結(jié)果看，效果比較明顯，底軸靜態(tài)狀態(tài)時(shí)，漏水已基本消除，僅有少量滲水現(xiàn)象發(fā)生，底軸旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)情況下，漏水雖然存在，但已明顯減少。

在后續(xù)實(shí)驗(yàn)中，采用較大斷面尺寸的石棉填料，按動(dòng)密封考慮斷面尺寸加大至40mm×55mm（寬×高），進(jìn)一步增大高度方向尺寸。主要是針對(duì)底軸旋轉(zhuǎn)過(guò)程中，同穿墻套管上擋圈中心之間偏心距變化時(shí)，能保持對(duì)O型密封的頂緊力，維持對(duì)O型密封條的預(yù)壓縮量不變，并使石棉填料也起到止水作用以減少漏水量。

6.結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)該工程中遇水膨脹橡皮的使用為以后同類底軸翻板閘門穿墻止水制造積累了寶貴的經(jīng)驗(yàn)。在使用選型安裝要注意以下事項(xiàng)：

①在閘門穿墻止水選用遇水膨脹橡膠時(shí)宜選用制品型橡膠，需對(duì)制品的拉伸強(qiáng)度、扯斷伸長(zhǎng)率、硬度、靜水膨脹率物理參數(shù)重點(diǎn)把關(guān)。

②遇水膨脹橡膠宜在現(xiàn)場(chǎng)底軸安裝時(shí)打開(kāi)安裝，不宜在廠內(nèi)參與預(yù)裝或在廠內(nèi)組裝好后發(fā)至工地，因在廠內(nèi)組裝好后，底軸放在戶外暴曬容易造成高溫使遇水膨脹橡皮與底軸出現(xiàn)粘粘的情況，正式運(yùn)行時(shí)容易造成遇水膨脹橡皮撕裂，且易造成橡皮老化。

③安裝前要求先進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證其膨脹量是否滿足要求。

④設(shè)計(jì)時(shí)壓蓋與底軸的間隙不宜過(guò)大，過(guò)大時(shí)當(dāng)遇水膨脹橡膠遇水膨脹后其膨脹料容易從從該間隙擠出，在底軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)造成遇水膨脹橡膠逐漸向外擠壓損壞。